【一問一答】高校の物理基礎のよく出る問題｜共通テスト・センター試験過去問類似問題

2026年6月19日2026年7月4日

最大10年分の公立高校入試の類似過去問70,487件収録

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大学入学共通テスト・センター試験の過去問を分析し、物理基礎でよく出るポイントを一問一答形式でまとめました。本ページでは 力学・熱力学・波動・電磁気 の頻出問題（全432問）を収録しています。選択肢から答えを選び、解説で知識を定着させましょう。共通テスト・定期テスト対策にご活用ください。

物理基礎の一問一答（共通テスト・センター過去問）

共通テスト(2022年)類似

力学的エネルギー保存の法則

Q57 質量 m の小球を初速度 v で鉛直上向きに投げ上げた。空気抵抗を無視できる場合、小球が最高点に達するまでの運動において、力学的エネルギー保存の法則に基づき正しい記述はどれか。

★★ 基本基礎正答率 —

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✅ 正解

小球が上昇するにつれて、運動エネルギーは減少し、位置エネルギーは増加するが、その和は一定である。

力学的エネルギー保存の法則により、重力のみが働く運動では、運動エネルギーと位置エネルギーの和は常に一定に保たれます。小球が上昇する過程では、速度が減少するため運動エネルギーは減少し、高さが増すため位置エネルギーは増加します。最高点では速度が0となるため運動エネルギーは最小（0）となり、位置エネルギーは最大となりますが、その和は投げ上げられた直後の値と変わりません。

共通テスト(2025年)類似

グラフの比例関係

Q58 等加速度直線運動において、速さの2乗が移動距離に比例する理由として最も適切なものはどれか。

★★★★ 難問背景正答率 —

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✅ 正解

仕事とエネルギーの原理により、外力がした仕事が運動エネルギーの変化量に等しいため。

一定の力Fが物体を距離xだけ動かしたとき、その仕事Fxは運動エネルギーの増加量(1/2)mv^2に等しい。F=maを代入すると、max = (1/2)mv^2となり、両辺をmで割るとax = (1/2)v^2、すなわちv^2 = 2axが得られる。この物理的背景により、速さの2乗は移動距離に比例する。

センター試験(2017年)類似

運動エネルギー

Q59 質量Mの物体Aと質量mの物体Bが糸で連結され、水平方向に引かれて等加速度直線運動をしている。このとき、物体Aの運動エネルギーと物体Bの運動エネルギーの比として正しいものはどれか。ただし、物体Aと物体Bの速さは常に等しいものとする。

★★★ 標準具体例正答率 —

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✅ 正解

M/m

運動エネルギーKはK = 1/2mv^2で表される。物体Aの運動エネルギーをKA、物体Bの運動エネルギーをKBとすると、KA = 1/2Mv^2、KB = 1/2mv^2となる。同じ加速度で運動しているため、任意の時刻において両者の速さvは共通である。したがって、比KA/KBを計算すると、1/2とv^2が相殺され、結果として質量の比であるM/mが導かれる。

センター試験(2018年)類似

重力に逆らって行う仕事

Q60 重力に逆らって物体を移動させる仕事について、その物理的な性質として最も適切な説明はどれか。

★★ 基本背景正答率 —

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✅ 正解

仕事の大きさは重力による位置エネルギーの増加分に等しい

重力は保存力であり、重力に逆らって行う仕事は、物体が移動した始点と終点の高さの差のみに依存する。斜面を利用しても、垂直に持ち上げても、高さhだけ移動させるために必要な仕事量は常にmghであり、仕事量は変化しない。したがって、仕事は位置エネルギーの増加分そのものとなる。

センター試験(2016年)類似

重力による位置エネルギー

Q61 重力による位置エネルギーに関する記述として最も適切なものはどれか。

★ やさしい基礎正答率 —

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✅ 正解

基準面から高さhにある質量mの物体が持つエネルギーは、mghで表される。

重力による位置エネルギーは、重力場において物体が基準面に対して持つエネルギーであり、質量m、重力加速度g、高さhの積mghで定義されます。基準面は任意に設定可能であり、エネルギーの絶対値ではなく、ある地点と基準面とのエネルギーの差が重要となります。物体が落下する際は、位置エネルギーが運動エネルギーへと変換されます。

センター試験(2015年)類似

弾性エネルギー

Q62 ばねを自然の長さから x だけ伸ばす過程において、外力がした仕事が弾性エネルギーとして蓄えられる理由として最も適切なものはどれか。

★★★★ 難問背景正答率 —

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✅ 正解

外力が加えた力は伸びに比例して増加するため、その平均的な力と伸びの積がエネルギーとなるから

フックの法則により、ばねを伸ばすために必要な力 F は伸び x に比例して F = kx と増加する。このとき、0 から x まで伸ばす間の平均的な力は 1/2 * kx となる。仕事は力と移動距離の積であるため、平均的な力 1/2 * kx に移動距離 x を掛けることで、蓄えられる弾性エネルギー 1/2 * k * x^2 が導かれる。

センター試験(2019年)類似

運動方程式

Q63 水平な線路上で、機関車が質量Mの客車Aと質量mの客車Bをひもで連結して右向きに一定の加速度で引いている。機関車が客車Aを引く力の大きさをFとし、客車Aと客車Bをつなぐひもが客車Bを引く力の大きさをfとする。このとき、fを表す式として正しいものはどれか。

★★★ 標準具体例正答率 —

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✅ 正解

f = (m / (M + m)) * F

系全体の加速度をaとすると、運動方程式よりF = (M + m)aが成り立ち、a = F / (M + m)と表せる。客車Bのみに着目すると、ひもが引く力fは客車Bの質量mと加速度aの積であるため、f = maとなる。ここにaを代入すると、f = m * (F / (M + m)) = (m / (M + m)) * Fが得られる。これは系全体の質量に対する客車Bの質量比が、力Fをどのように分配するかを示している。

共通テスト(2023年)類似

水平投射における水平方向の等速直線運動

Q64 水平投射された小球の水平方向の位置が、時刻0.1秒で0.39メートル、0.2秒で0.78メートルであった。この運動が等速直線運動であると仮定したとき、時刻0.3秒における小球の水平方向の位置として正しいものはどれか。

★★ 基本具体例正答率 —

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✅ 正解

1.17メートル

水平投射の水平方向は等速直線運動であるため、一定時間ごとの移動距離は常に一定である。0.1秒から0.2秒の間に0.39メートル移動していることから、0.2秒から0.3秒の間も同様に0.39メートル移動する。したがって、0.2秒時点の位置0.78メートルに0.39メートルを加えると、0.3秒時点の位置は1.17メートルとなる。

センター試験(2019年)類似

斜面上の運動

Q65 水平な床の上に固定された、傾斜角の異なる2つのすべり台AとBがある。すべり台Aの傾斜角はBよりも小さい。質量が等しい物体をそれぞれの斜面に置いたとき、物体に働く垂直抗力の大きさについて述べた文として最も適当なものはどれか。

★★ 基本基礎正答率 —

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✅ 正解

すべり台A上の物体に働く垂直抗力の方が大きい

斜面上の物体に働く垂直抗力は、重力の斜面に垂直な成分と釣り合っている。この成分の大きさは、物体の質量、重力加速度、および傾斜角の余弦（cosθ）の積で表される。傾斜角が0度に近いほど余弦の値は1に近づき、垂直抗力は重力の大きさに近づく。したがって、傾斜角が小さいすべり台Aの方が、傾斜角が大きいすべり台Bよりも垂直抗力は大きくなる。

共通テスト(2024年)類似

アルキメデスの原理

Q66 密度2.0×10^3 kg/m^3、質量1.0 kgの物体を水（密度1.0×10^3 kg/m^3）の中に完全に沈めたとき、この物体にはたらく浮力の大きさは何Nか。ただし、重力加速度の大きさを9.8 m/s^2とする。

★★★ 標準具体例正答率 —

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✅ 正解

4.9 N

物体の体積は、質量1.0 kgを密度2.0×10^3 kg/m^3で割ることで、0.5×10^-3 m^3と求められます。浮力の大きさは、この体積分の水の重さ（体積×水の密度×重力加速度）に等しいため、0.5×10^-3 m^3 × 1.0×10^3 kg/m^3 × 9.8 m/s^2 = 4.9 N となります。

センター試験(2017年)類似

ばねの弾性エネルギー

Q67 フックの法則 F = kx に従うばねにおいて、力Fと伸びxの関係を示すグラフの傾きが表す物理量として最も適切なものはどれか。

★ やさしい基礎正答率 —

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✅ 正解

ばね定数

フックの法則 F = kx において、力Fを縦軸、伸びxを横軸にとったグラフでは、傾きはばね定数kに相当する。なお、このグラフの下側の面積は、ばねをxだけ伸ばすために外力がした仕事に等しく、それが弾性エネルギーとして蓄えられる。

センター試験(2019年)類似

エネルギー変換

Q68 機関車が客車を牽引する際、乾電池の化学エネルギーが運動エネルギーに変換される過程において、エネルギーの損失が生じる主な要因として最も適切なものはどれか。

★★★ 標準背景正答率 —

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✅ 正解

電気回路やモーターにおける熱エネルギーへの散逸

エネルギー変換の過程では、すべてのエネルギーが目的とする運動エネルギーに変換されるわけではありません。電気回路の抵抗による発熱や、モーターの摩擦熱など、一部は熱エネルギーとして周囲に放出されます。これは熱力学の法則に従い、エネルギー変換効率が100%にならないことを示しており、現実の物理現象では不可避な損失です。

共通テスト(2025年)類似

等速直線運動

Q69 物体が一定の速さで移動する等速直線運動において、移動距離をs、経過時間をtとしたとき、速さvを表す式として正しいものはどれか。

★ やさしい基礎正答率 —

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✅ 正解

v = s / t

等速直線運動とは、物体が一定の速さで一直線上を移動する運動である。このとき、速さは単位時間あたりに進む距離として定義され、移動距離を要した時間で割ることで求められる。したがって、速さvは移動距離sを時間tで割ったv = s / tと表される。

センター試験(2020年)類似

水平投射

Q70 点Pから水平に対して60度の角度で速さvで打ち出された小球が、水平距離l離れた壁の点Qに衝突する。このとき、小球が壁に到達するまでの時間tを表す式として正しいものはどれか。

★★★ 標準具体例正答率 —

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✅ 正解

2l/v

発射直後の水平方向の速度成分はv*cos60度=v/2である。水平方向には等速度運動を行うため、水平距離lを移動するのにかかる時間tは、距離を速度で割ることで求められる。したがって、t=l/(v/2)=2l/vとなる。

共通テスト(2024年)類似

力のつり合い

Q71 水中に沈んでいる物体が容器の底に接している状態から、容器内の水位を下げて物体が完全に空気中に出た状態になった場合、物体にはたらく垂直抗力はどのように変化するか。

★★★ 標準背景正答率 —

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✅ 正解

浮力がなくなる分、垂直抗力は大きくなる

水中では重力＝浮力＋垂直抗力という関係が成り立っているため、垂直抗力＝重力－浮力である。空気中では浮力がほぼゼロとなるため、垂直抗力は重力そのものと等しくなる。したがって、水中から空気中へ変化すると、垂直抗力は浮力の分だけ増加する。

共通テスト(2024年)類似

力学的エネルギー保存の法則

Q72 力学的エネルギー保存の法則が成り立つ系において、物体に外力が仕事をした場合、その仕事とエネルギーの変化の関係について最も適切な説明はどれか。

★★★ 標準背景正答率 —

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✅ 正解

外力がした仕事は、物体の運動エネルギーと位置エネルギーの和の変化量に等しい。

力学的エネルギーは運動エネルギーと位置エネルギーの和で定義されます。保存力以外の外力が物体に対して仕事を行う場合、その仕事の分だけ力学的エネルギーが変化します。これはエネルギー保存の法則を一般化したものであり、外力が正の仕事をした場合は力学的エネルギーが増加し、負の仕事をした場合は減少します。

センター試験(2016年)類似

力学的エネルギー保存の法則

Q73 質量mの小物体がばねから離れた後、なめらかな曲面を登り、高さhの点Aに達した。このとき、点Aにおける小物体の速さが0であったと仮定すると、ばねを縮めた距離xと高さhの関係式として正しいものはどれか。ただし、ばね定数をkとする。

★★★★ 難問背景正答率 —

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✅ 正解

x = sqrt(2mgh/k)

ばねの弾性エネルギー(1/2)kx^2が、高さhにおける重力による位置エネルギーmghに完全に変換されたと考えます。(1/2)kx^2 = mghという式を立てます。これをxについて整理すると、x^2 = 2mgh/kとなり、両辺の平方根をとることでx = sqrt(2mgh/k)が導かれます。エネルギーの変換過程を追うことで、初期状態と最終状態のエネルギーを等置できます。

センター試験(2018年)類似

慣性の法則

Q74 慣性の法則に関する記述として、最も適切なものはどれか。

★ やさしい基礎正答率 —

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✅ 正解

物体に力が働かないとき、または働く力の合力が0のとき、静止している物体は静止し続け、運動している物体は等速直線運動を続ける。

慣性の法則（ニュートンの運動の第1法則）は、物体が外部から力を受けない場合、あるいは受ける力の合力が0である場合に、その運動状態を維持しようとする性質を指す。静止している物体は静止を続け、運動している物体は等速直線運動を維持する。これは物体の質量が持つ慣性という性質に起因する。

共通テスト(2023年)類似

力学的エネルギー保存の法則

Q75 高さhの地点から、質量mの小球を水平方向に異なる初速度v1, v2, v3（ただしv1 < v2 < v3）でそれぞれ投射した。空気抵抗を無視できる場合、床に到達した直後の小球の速さの大小関係として最も適切なものはどれか。

★★ 基本具体例正答率 —

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✅ 正解

v1が最も遅く、v3が最も速い

力学的エネルギー保存の法則により、床に到達したときの運動エネルギーは、初期の力学的エネルギー（位置エネルギーと初速度による運動エネルギーの和）に等しくなります。高さが同じであれば位置エネルギーは一定であるため、初速度が大きいほど床到達時の運動エネルギーが大きくなり、結果として速さも大きくなります。したがって、初速度の大きいv3で投射した小球が最も速くなります。

共通テスト(2026年)類似

糸で引かれた台車の運動

Q76 質量1.0 kgの台車に糸をつけ、滑車を通して質量0.5 kgのおもりを吊るして静かに手を離した。摩擦や空気抵抗、糸と滑車の質量を無視できるとき、台車と一体となって運動するおもりの加速度の大きさは何 m/s^2 か。ただし、重力加速度の大きさを 9.8 m/s^2 とする。

★★★★ 難問具体例正答率 —

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✅ 正解

3.27 m/s^2

台車の質量を M、おもりの質量を m、重力加速度を g とする。系全体の運動方程式は mg = (M + m)a となる。値を代入すると 0.5 × 9.8 = (1.0 + 0.5)a となり、4.9 = 1.5a となる。これを解くと a = 4.9 / 1.5 = 3.266… となり、有効数字を考慮すると約 3.27 m/s^2 となる。

共通テスト(2021年)類似

物体の質量増加による加速度の変化

Q77 質量 1.0 kg の台車に、質量 0.2 kg のスマートフォンを載せて牽引する実験を行う。この系を一定の力 3.0 N で水平方向に引いたとき、系全体の加速度は何 m/s^2 となるか。ただし、摩擦や空気抵抗、糸の質量は無視できるものとする。

★★★ 標準具体例正答率 —

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✅ 正解

2.5 m/s^2

運動方程式 F = ma を用いる。系全体の質量 m は台車の 1.0 kg とスマートフォンの 0.2 kg を合計した 1.2 kg である。加える力 F は 3.0 N であるから、加速度 a = F / m = 3.0 / 1.2 = 2.5 m/s^2 と計算される。質量が増加するほど、同じ力に対して加速度は小さくなるという関係がこの数値からも確認できる。

センター試験(2017年)類似

力学的エネルギー保存の法則

Q78 力学的エネルギー保存の法則が成り立つ条件として、最も適切なものはどれか。

★★ 基本背景正答率 —

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✅ 正解

物体に働く摩擦力や空気抵抗が無視できる場合

力学的エネルギー保存の法則は、物体に働く力が重力や弾性力のような保存力のみである場合に成立する。摩擦力や空気抵抗のような非保存力が仕事をする場合、その仕事の分だけ力学的エネルギーは熱エネルギーなどに変換され、力学的エネルギーの総和は保存されない。したがって、これらの抵抗が無視できる理想的な状況下で法則が適用される。

センター試験(2019年)類似

仕事と運動エネルギー

Q79 物体が移動する際に、物体に働く合力がなす仕事と運動エネルギーの変化量が等しくなる理由として、最も適切な説明はどれか。

★★★★ 難問背景正答率 —

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✅ 正解

運動方程式と等加速度直線運動の公式から導かれるエネルギー保存の法則の一形態であるため。

運動方程式F=maと、等加速度直線運動における速度と距離の関係式(v^2 – v0^2 = 2aL)を組み合わせることで、F×L = (1/2)mv^2 – (1/2)mv0^2という関係式が導かれる。これは合力がなした仕事が運動エネルギーの変化量に等しいことを示しており、力学における基本的なエネルギーの保存と変換の法則を表現している。

共通テスト(2025年)類似

糸の張力

Q80 質量Mの二つのおもりを定滑車でつないだ装置において、おもりが等速直線運動をしている理由として最も適切なものはどれか。

★★★ 標準背景正答率 —

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✅ 正解

おもりに働く重力と糸の張力が釣り合っているから

等速直線運動とは加速度がゼロの状態を指す。ニュートンの運動の第2法則より、物体に働く合力がゼロであれば加速度はゼロとなる。本問の状況では、おもりには鉛直下向きに重力Mg、鉛直上向きに糸の張力Tが働いており、これらが釣り合っている（T=Mg）ため、合力はゼロとなり等速直線運動が維持される。

共通テスト(2023年)類似

風力発電機の発電量計算

Q81 風力発電機が風から受け取る単位時間あたりの運動エネルギーと、風速の関係に関する記述として最も適当なものを、次のうちから一つ選べ。ただし、風速以外の条件は一定とし、出力を制限しない風速範囲とする。

★★★ 標準基礎正答率 —

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✅ 正解

風が持つ運動エネルギーは風速の3乗に比例するため、出力は風速の3乗に比例して増加する。

単位時間あたりに風車を通過する空気の質量は風速に比例し、空気の運動エネルギーは風速の2乗に比例する。したがって、単位時間あたりに風車が受ける風の運動エネルギー（理論上の最大出力）は、風速の3乗に比例する。このため、出力を制限しない低風速域では、出力は風速の3乗に比例して急激に増加する。

共通テスト(2024年)類似

力のつり合い

Q82 質量が0.20 kgのジャガイモが、水で満たされた容器の底に静止している。このとき、ジャガイモにはたらく重力の大きさを2.0 N、浮力の大きさを0.5 Nとすると、容器の底からジャガイモにはたらく垂直抗力の大きさは何Nか。

★★ 基本具体例正答率 —

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✅ 正解

1.5 N

物体が静止しているとき、物体にはたらく力はつり合っている。この場合、下向きの重力と、上向きの浮力および垂直抗力がつり合っているため、重力＝浮力＋垂直抗力の関係が成り立つ。したがって、垂直抗力＝重力－浮力となり、2.0 N – 0.5 N = 1.5 Nと求められる。

センター試験(2019年)類似

仕事の定義

Q83 傾斜角が異なる2つのなめらかな斜面において、質量が等しい物体を頂点から滑り落とす。このとき、重力が物体に対して行う仕事について述べた文として正しいものはどれか。

★★★ 標準背景正答率 —

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✅ 正解

斜面の傾斜角に関わらず、重力がする仕事は等しい

重力は保存力であり、重力がする仕事は物体の移動の経路によらず、始点と終点の鉛直方向の高さの差のみに依存する。質量が等しく、同じ高さから滑り出す場合、移動後の高さも等しいため、重力がする仕事は斜面の傾斜角や形状に関わらず一定となる。

センター試験(2017年)類似

弾性エネルギー

Q84 ばね定数kのばねを自然の長さからxだけ伸ばしたときに蓄えられる弾性エネルギーUを表す式として、正しいものはどれか。

★ やさしい基礎正答率 —

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✅ 正解

U = 0.5 * k * x^2

弾性エネルギーは、ばねを自然長からxだけ変形させるために外力がした仕事に相当します。フックの法則（F=kx）に従うばねにおいて、力Fと伸びxのグラフは原点を通る直線となり、その面積が仕事、すなわち弾性エネルギーとなります。この三角形の面積を計算すると、底辺x、高さkxより、0.5 * x * kx = 0.5 * k * x^2 となります。

センター試験(2017年)類似

力学的エネルギー保存の法則

Q85 斜面上の点Pから斜面に沿って上向きに速さv0で打ち出された質量mの小物体が、斜面に沿って距離Lだけ離れた点Qを速さvで通過する。斜面の傾斜角をθ、重力加速度の大きさをgとする。力学的エネルギー保存の法則に基づき、vの二乗を表す式として正しいものはどれか。

★★★ 標準具体例正答率 —

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✅ 正解

v0^2 – 2gL sin θ

点Pを基準とすると、点Qでの高さはL sin θである。力学的エネルギー保存の法則により、点Pでの力学的エネルギー（運動エネルギーのみ）と点Qでの力学的エネルギー（運動エネルギーと位置エネルギーの和）は等しい。すなわち、(1/2)mv0^2 = (1/2)mv^2 + mgL sin θが成り立つ。両辺をmで割り、2をかけるとv0^2 = v^2 + 2gL sin θとなり、これをv^2について解くとv^2 = v0^2 – 2gL sin θが得られる。

センター試験(2018年)類似

鉛直投げ上げ運動

Q86 小球を初速度 19.6 m/s で鉛直上向きに投げ上げたとき、この小球が最高点に到達するまでの時間は何秒か。ただし、重力加速度の大きさを 9.8 m/s^2 とする。

★★ 基本具体例正答率 —

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✅ 正解

2.0 秒

鉛直投げ上げ運動において、最高点では小球の速度は 0 m/s となる。速度の公式 v = v0 – gt を用いると、0 = 19.6 – 9.8 × t となり、t = 19.6 / 9.8 = 2.0 秒と求められる。つまり、最高点に達するまでの時間は、初速度の大きさを重力加速度の大きさで割った値に等しい。

センター試験(2020年)類似

鉛直投げ上げ

Q87 地上から初速度vで鉛直上向きに投げ上げた小球が、最高点に達したときの地上からの高さhを求める式として正しいものはどれか。ただし、重力加速度の大きさをgとする。

★★ 基本具体例正答率 —

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✅ 正解

v^2/2g

力学的エネルギー保存則、あるいは公式v^2 – v0^2 = -2ghを用いる。最高点では速度が0となるため、0 – v^2 = -2ghという関係式が成り立つ。これをhについて解くと、h = v^2/2gとなる。この高さは初速度の2乗に比例し、重力加速度に反比例する。

共通テスト(2022年)類似

相対速度

Q88 等速直線運動をしている2つの物体において、相対速度が常に一定となる理由として、最も適切なものはどれか。

★★★ 標準背景正答率 —

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✅ 正解

両者の速度の差が時間とともに変化しないため

等速直線運動では、物体の速度ベクトルは時間的に変化しない。相対速度は相手の速度ベクトルから自分の速度ベクトルを引いたものであり、両者の速度が一定であれば、その差である相対速度もまた時間的に変化せず一定となる。これはガリレイ変換における慣性系の性質に基づいている。

共通テスト(2024年)類似

力のつり合い

Q89 質量0.20 kgのジャガイモをばねばかりで吊るし、水中に完全に沈めて静止させたところ、ばねばかりの目盛りは1.2 Nを示した。このときジャガイモにはたらく浮力の大きさは何Nか。ただし、重力加速度の大きさを9.8 m/s^2とする。

★★★ 標準具体例正答率 —

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✅ 正解

0.76 N

静止している物体にはたらく力の合力はゼロである。ジャガイモには下向きの重力（0.20 kg × 9.8 m/s^2 = 1.96 N）、上向きの張力（1.2 N）、および上向きの浮力がはたらいている。力のつり合いの式より、浮力 + 張力 = 重力が成り立つため、浮力 = 1.96 N – 1.2 N = 0.76 Nと求められる。

共通テスト(2024年)類似

アルキメデスの原理と体積

Q90 密度が水の密度の半分である円柱状の物体を、鉛直に立てて水面に浮かべたとき、物体の全高に対する水面下にある部分の高さの比率として正しいものはどれか。

★★★★ 難問背景正答率 —

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✅ 正解

0.5

物体が静止して浮かんでいるとき、重力と浮力がつり合っている。物体の密度をρ、水の密度をρ0、全高をh、水面下の高さをh’とすると、重力はρShg（Sは断面積）、浮力はρ0Sh’gとなる。ρ = 0.5ρ0 であるため、ρShg = ρ0Sh’g より 0.5ρ0Shg = ρ0Sh’g となり、h’ = 0.5h が導かれる。したがって、比率は0.5となる。

センター試験(2019年)類似

仕事と運動エネルギー

Q91 水平な線路上を走る質量Mの客車が、機関車から右向きに力Fで引かれ、同時に連結器から左向きに力fで引かれながら距離Lだけ移動した。このとき、客車の運動エネルギーの増加量として正しい式はどれか。

★★★ 標準具体例正答率 —

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✅ 正解

(F – f) × L

物体に働く合力は、右向きの力Fと左向きの力fの差である(F – f)となる。仕事と運動エネルギーの定理によれば、運動エネルギーの増加量は合力がなした仕事に等しいため、合力(F – f)に移動距離Lを掛けた値が運動エネルギーの増加量となる。機関車が引く力や連結器の力単独ではなく、すべての力を合計した合力を考慮する必要がある。

共通テスト(2026年)類似

糸で引かれた台車の運動

Q92 水平な実験台の上に置かれた台車に糸を取り付け、滑車を通して質量0.2 kgのおもりを吊るした。おもりが落下する際、台車が受ける運動について最も適切な説明はどれか。

★★ 基本基礎正答率 —

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✅ 正解

台車は一定の加速度で加速する運動を行う

台車におもりを吊るした糸を取り付けると、おもりの重力によって糸に張力が生じ、台車は一定の力を受け続ける。ニュートンの運動方程式 F=ma に従い、一定の力が加わる物体は一定の加速度で加速する。したがって、台車は等速直線運動や減速運動ではなく、一定の加速度で加速する運動を行う。

共通テスト(2024年)類似

アルキメデスの原理

Q93 アルキメデスの原理に基づき、流体中の物体にはたらく浮力の大きさについて正しく説明しているものはどれか。

★ やさしい基礎正答率 —

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✅ 正解

物体が排除した流体の重さに等しい

アルキメデスの原理によれば、流体中の物体にはたらく浮力の大きさは、その物体が排除した流体の重さ（質量×重力加速度）と等しくなります。これは流体内の圧力差によって生じる力であり、物体の密度や重さそのものではなく、排除された流体の体積と流体の密度によって決まります。

共通テスト(2024年)類似

力のつり合い

Q94 静止している物体にはたらく力のつり合いに関する記述として最も適当なものはどれか。

★★ 基本基礎正答率 —

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✅ 正解

物体にはたらくすべての力の合力がゼロである。

ニュートンの運動の第1法則（慣性の法則）により、静止している物体は、物体にはたらくすべての力の合力がゼロである状態にある。重力と浮力が等しくなるとは限らず、他に張力や垂直抗力などがはたらく場合もある。力が存在しないのではなく、それらの総和が打ち消し合っている状態を力のつり合いと呼ぶ。

共通テスト(2021年)類似

物体の質量増加による加速度の変化

Q95 水平でなめらかな床の上にある台車にスマートフォンを固定し、一定の質量のおもりをひもと滑車でつないで牽引する実験を行う。このとき、台車に載せるスマートフォンの個数を増やして系全体の質量を大きくしたとき、台車の加速度が減少する理由として最も適切なものはどれか。

★★ 基本背景正答率 —

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✅ 正解

運動方程式に基づき、一定の力のもとでは加速度は質量に反比例するため。

運動方程式 F = ma において、牽引力 F が一定である場合、加速度 a は質量 m に反比例する。実験系においてスマートフォンを載せることは系全体の質量 m を増加させる操作であり、F が一定であれば加速度 a は必然的に小さくなる。摩擦力や糸の張力といった他の要因ではなく、ニュートン力学の基本原理である運動方程式の性質が加速度減少の直接的な理由である。

共通テスト(2022年)類似

通過時間

Q96 ある物体が他の物体を追い越す際の「通過時間」を求める計算において、考慮すべき物理量として最も適切な組み合わせはどれか。

★★ 基本基礎正答率 —

💡 答えを確認

✅ 正解

物体の移動距離と相対速度

通過時間は、追い越す側の物体から見た追い越される側の物体の相対速度と、通過すべき全距離（移動距離）によって決定される。質量や加速度は、速度が一定であると仮定する場合には直接的な計算要素とはならない。相対速度の大きさと移動すべき全距離を用いることで、通過時間を算出できる。

共通テスト(2021年)類似

平均の速さ

Q97 記録タイマーを用いて物体の運動を調べる際、記録テープ上に打たれた点の間隔と平均の速さの関係について述べた文として最も適当なものはどれか。

★ やさしい基礎正答率 —

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✅ 正解

記録テープの打点間隔が広いほど、その区間の平均の速さは大きい。

記録タイマーは一定の時間間隔で打点を行うため、記録テープ上の打点間隔は、その時間内に物体が移動した距離に比例する。平均の速さは移動距離を時間で割った値であるため、同じ時間間隔であれば、移動距離が長いほど、すなわち打点間隔が広いほど平均の速さは大きくなる。

センター試験(2019年)類似

エネルギー変換

Q98 質量2.0 kgの客車が、乾電池を動力源とする機関車によって加速され、速さが0 m/sから4.0 m/sまで変化した。このとき、客車が得た運動エネルギーは何Jか。

★★★ 標準具体例正答率 —

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✅ 正解

16 J

運動エネルギーKは、物体の質量をm、速さをvとすると、K = 1/2 * m * v^2 の式で表されます。今回のケースでは、m = 2.0 kg、v = 4.0 m/s を代入すると、K = 1/2 * 2.0 * (4.0)^2 = 1.0 * 16 = 16 J となります。このエネルギーの増加分は、機関車の乾電池が持つ化学エネルギーから供給されたものです。

共通テスト(2021年)類似

木片にはたらく力

Q99 質量0.5 kgの木片の上に、質量0.3 kgのりんごが置かれて静止している。このとき、木片が床から受ける垂直抗力の大きさは何Nか。ただし、重力加速度の大きさを9.8 m/s^2とする。

★★★ 標準具体例正答率 —

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✅ 正解

7.84 N

木片にはたらく鉛直下向きの力は、木片の重力（0.5 kg × 9.8 m/s^2 = 4.9 N）と、りんごから受ける垂直抗力（りんごの重力に等しく 0.3 kg × 9.8 m/s^2 = 2.94 N）の合計である。木片が静止しているため、床からの垂直抗力はこれら下向きの力の和とつり合う必要がある。したがって、4.9 N + 2.94 N = 7.84 N となる。

センター試験(2020年)類似

力学的エネルギー保存の法則

Q100 質量mの小球を天井から長さlの自然長のゴムひもで吊るし、静かに放したところ、最下点でゴムひもは(h-l)だけ伸びた。このとき、力学的エネルギー保存の法則に基づき、小球の質量mを表す式として正しいものはどれか。ただし、重力加速度の大きさをg、ゴムひもの弾性定数をkとする。

★★★ 標準具体例正答率 —

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✅ 正解

m = k(h-l)^2 / (2gh)

小球を放した位置を基準とすると、最下点での重力による位置エネルギーの減少分はmghである。これがすべてゴムひもの弾性エネルギーに変換されるため、mgh = 1/2 * k * (h-l)^2 という関係式が成り立つ。この式を質量mについて解くと、m = k(h-l)^2 / (2gh) となる。エネルギー保存の法則を適用する際は、位置エネルギーの基準点と弾性エネルギーの公式を正しく用いることが重要である。

センター試験(2019年)類似

斜面上の運動

Q101 質量が等しい物体を、傾斜角の異なる2つのすべり台AとBの同じ高さから静かに放して滑らせる状況を考える。すべり台Aの傾斜角は30度、すべり台Bの傾斜角は60度である。このとき、物体が斜面をすべり落ちる加速度の大きさについて述べた文として最も適当なものはどれか。

★★★ 標準具体例正答率 —

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✅ 正解

すべり台Bの方が加速度の大きさが大きい

斜面をすべり落ちる物体の加速度は、重力加速度の斜面方向成分であるg sinθ（gは重力加速度、θは傾斜角）で表される。傾斜角θが大きくなるほどsinθの値は大きくなるため、傾斜角が60度であるすべり台Bの方が、30度であるすべり台Aよりも加速度の大きさは大きくなる。結果として、すべり台Bの方が短い時間で床に到達する。

共通テスト(2023年)類似

運動方程式と作用反作用の法則

Q102 なめらかな水平面上に質量がそれぞれmA, mB, mCである箱A、B、Cが左から順に接触して置かれている。箱Aの左端を水平右向きに一定の力Fで押したところ、3つの箱は一体となって右向きに加速度aで運動した。このとき、箱AからBへ及ぼす力の大きさをf1、箱BからCへ及ぼす力の大きさをf2とすると、f1とf2の関係として正しいものはどれか。

★★★ 標準背景正答率 —

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✅ 正解

f1はf2より大きい

箱Cに注目すると、右向きの加速度aを生じさせている力は箱Bから受ける力f2のみであるため、運動方程式よりf2 = mC * aが成り立つ。一方、箱Bには右向きにf1、左向きにf2が働いており、運動方程式よりf1 – f2 = mB * aとなる。したがって、f1 = (mB + mC) * aとなり、f1はf2よりも必ず大きくなる。これは、箱BとCを合わせた質量を加速させるために、より大きな力が必要であるためである。

共通テスト(2023年)類似

鉛直投げ上げと自由落下の運動

Q103 高さhの位置から小球Aを自由落下させると同時に、床から小球Bを初速度V0で鉛直上向きに投げ上げました。小球Aが床に到達するのと同時に、小球Bが最高点に達して再び床に戻ってきたとき、初速度V0を表す式として正しいものを選択肢から選んでください。ただし、重力加速度の大きさをgとし、空気抵抗は無視できるものとします。

★★★ 標準基礎正答率 —

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✅ 正解

√(gh/2)

自由落下する小球Aが高さhから床に到達する時間tは、h = 1/2 * g * t^2 より、t = √(2h/g) と表されます。一方、床から初速度V0で鉛直投げ上げられた小球Bが最高点に達して再び床に戻るまでの時間t’は、t’ = 2V0/g と表されます。これらが同時に床に到達するため、t = t’ が成り立ちます。√(2h/g) = 2V0/g の両辺を2乗して整理すると、V0 = √(gh/2) が導かれます。

共通テスト(2023年)類似

風力発電機の発電量計算

Q104 風速が10 m/sから15 m/sの範囲において、出力が20 kWで一定となる風力発電機がある。この風力発電機が風速12 m/sの風を受けて1日（24時間）連続して稼働したとき、この風力発電機が得る発電量は、一般家庭の1日の消費電力量である18 kWhの約何倍になるか。最も適当なものを、次のうちから一つ選べ。

★★ 基本具体例正答率 —

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✅ 正解

27倍

風速12 m/sは10 m/sから15 m/sの範囲内であるため、風力発電機の出力は20 kWで一定である。この発電機が24時間稼働したときの発電量は、20 kWに24時間を掛けた480 kWhとなる。一般家庭の1日の消費電力量18 kWhで割ると、480 / 18 = 26.6…倍となり、最も近い値は27倍である。

センター試験(2018年)類似

相対速度

Q105 水平面上を一定の速度で直進する台車の上から、小球を台車に対して鉛直上向きに初速度vで打ち出した。このとき、小球が達する最高点の高さについて、静止している台車から同じ初速度vで打ち出した場合と比較した記述として最も適当なものはどれか。

★★★ 標準基礎正答率 —

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✅ 正解

鉛直方向の初速度成分は変わらないため、最高点の高さは静止時と変わらない。

小球の最高点の高さは、鉛直方向の初速度成分のみに依存します。台車が水平方向に一定の速度で運動していても、小球を打ち出す装置が台車に対して鉛直上向きに初速度を与えるならば、その鉛直成分は台車の運動の影響を受けません。したがって、小球の鉛直方向の運動は静止時と同一となり、最高点の高さも変化しません。水平方向の速度は相対速度として加わりますが、高さには影響を及ぼしません。

共通テスト(2025年)類似

運動方程式

Q106 質量Mとm（M > m）の2つのおもりを滑車でつなぎ、静かに手を離して運動させる装置において、加速度をa、重力加速度をgとする。このとき、運動方程式から導かれる加速度aを表す式として正しいものはどれか。ただし、糸と滑車の質量および摩擦は無視できるものとする。

★★★ 標準基礎正答率 —

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✅ 正解

a = (M – m)g / (M + m)

2つのおもりそれぞれに運動方程式を立てる。質量Mのおもりには下向きにMg、上向きに張力Tが働き、質量mのおもりには上向きにT、下向きにmgが働く。これらを連立させて張力Tを消去すると、加速度aは(M-m)g/(M+m)となる。この装置はアトウッドの器械と呼ばれ、加速度を測定することで重力加速度gを求める実験に用いられる。

センター試験(2020年)類似

水平投射

Q107 水平投射において、空気抵抗を無視できる場合、水平方向の運動と鉛直方向の運動について正しい説明はどれか。

★ やさしい基礎正答率 —

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✅ 正解

水平方向には等速度運動を行い、鉛直方向には等加速度運動を行う。

水平投射された物体には、水平方向には力が働かないため等速度運動を続け、鉛直方向には重力のみが働くため重力加速度による等加速度運動を行う。これは運動の独立性の原理により、それぞれの方向の運動を独立して考えることができるためである。

共通テスト(2023年)類似

鉛直投げ上げの最高点とエネルギー

Q108 質量mの小球を初速度vで真上に投げ上げる鉛直投げ上げにおいて、小球が最高点に達したときの力学的エネルギーの状態として最も適切なものはどれか。

★★ 基本基礎正答率 —

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✅ 正解

運動エネルギーは0となり、位置エネルギーは最大となる

鉛直投げ上げにおいて、小球は上昇するにつれて速度が減少し、最高点では一瞬だけ速度が0になる。力学的エネルギー保存の法則により、空気抵抗を無視すれば、運動エネルギーと位置エネルギーの和は常に一定に保たれる。最高点では速度が0であるため運動エネルギーは0となり、その分だけ位置エネルギーが最大値をとる。

共通テスト(2024年)類似

力学的エネルギー保存の法則

Q109 質量2.0 kgの物体を一定の力で鉛直上方に2.0 m持ち上げたところ、重力による位置エネルギーが39.2 J増加した。このとき、加えた力による仕事が50.0 Jであった場合、物体が得た運動エネルギーは何Jか。

★★ 基本具体例正答率 —

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✅ 正解

10.8 J

運動エネルギーは、加えた力による仕事から重力による位置エネルギーの増加分を差し引くことで求められます。与えられた数値を用いると、50.0 J – 39.2 J = 10.8 Jとなります。この計算は、仕事とエネルギーの関係式を直接適用した結果です。

センター試験(2015年)類似

力学的エネルギーの保存

Q110 なめらかな斜面上の点Pから点Qへ向かって、質量mの小物体を初速度vで運動させる。点Pと点Qの高さの差をhとし、重力加速度の大きさをgとする。このとき、点Qにおける物体の速さに関する記述として最も適当なものを、次のうちから一つ選べ。ただし、空気抵抗や摩擦は無視できるものとする。

★★★ 標準背景正答率 —

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✅ 正解

初速度vの向きに関わらず、点Qでの速さは一定である。

力学的エネルギー保存の法則により、保存力のみが働く場合、物体の力学的エネルギーは一定に保たれる。点Pでの力学的エネルギーは、点Qでの力学的エネルギーと等しくなる。点Pでの運動エネルギーと位置エネルギーの和は、点Qでの運動エネルギーと位置エネルギーの和に等しいため、高さの差hと初速度vが同じであれば、点Qでの速さは打ち出す向きに依存せず一定となる。

センター試験(2018年)類似

重力に逆らって行う仕事

Q111 質量mの物体を、重力加速度gの環境下で、鉛直方向に高さhだけ持ち上げるために必要な仕事量はいくらか。

★ やさしい基礎正答率 —

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✅ 正解

mgh

重力は保存力であり、保存力に逆らって物体を移動させる際に行う仕事は、経路によらず始点と終点の高さの差のみによって決まる。質量mの物体を高さhだけ持ち上げることは、重力による位置エネルギーをmghだけ増加させることに相当するため、必要な仕事量はmghとなる。

共通テスト(2022年)類似

相対速度

Q112 右向きを正の向きとし、右向きに10m/sで走行する電車Aから、左向きに15m/sで走行する電車Bを見たときの相対速度の大きさとして、最も適切なものはどれか。

★★ 基本具体例正答率 —

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✅ 正解

25m/s

相対速度は、相手の速度から観測者の速度を引いたベクトル量として定義される。右向きを正とすると、電車Aの速度は+10m/s、電車Bの速度は-15m/sである。電車Aから見た電車Bの相対速度は(-15) – (+10) = -25m/sとなる。この値は左向きに25m/sで移動していることを意味し、その大きさは25m/sである。

共通テスト(2021年)類似

速度と加速度の関係

Q113 初速度が0の等加速度直線運動において、加速度が0.60 m/s^2で一定のとき、運動開始から2.5秒後の速度は何m/sになるか。

★★ 基本具体例正答率 —

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✅ 正解

1.5 m/s

初速度が0の等加速度直線運動において、時刻tにおける速度vは、加速度aと時間tの積（v = at）で表される。本問では加速度a = 0.60 m/s^2、時間t = 2.5 sであるため、速度v = 0.60 m/s^2 × 2.5 s = 1.5 m/sとなる。等加速度直線運動の基本的な定義式に基づき、加速度と時間の積を計算することで導出できる。

共通テスト(2022年)類似

力のつり合いと運動方程式

Q114 質量2.0 kgの物体に鉛直上向きの力Fが働いている。この物体が静止している状態から、ある区間で力Fを30 Nに増加させたところ、鉛直上向きに加速度が生じた。このときの加速度の大きさは何m/s^2か。ただし、重力加速度の大きさを9.8 m/s^2とし、空気抵抗は無視できるものとする。

★★★ 標準具体例正答率 —

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✅ 正解

5.2 m/s^2

運動方程式F – mg = maを用いる。F=30 N、m=2.0 kg、g=9.8 m/s^2を代入すると、30 – 2.0 × 9.8 = 2.0 × a となる。これを計算すると30 – 19.6 = 2.0aとなり、10.4 = 2.0aから、加速度aは5.2 m/s^2と求められる。

センター試験(2020年)類似

力学的エネルギー保存の法則

Q115 力学的エネルギー保存の法則に関する記述として、最も適切なものはどれか。

★★ 基本基礎正答率 —

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✅ 正解

保存力のみが働く系では、運動エネルギーと位置エネルギーの和は一定に保たれる。

力学的エネルギー保存の法則は、重力や弾性力のような保存力のみが仕事をする場合に成立する。摩擦力や空気抵抗のような非保存力が働くと、力学的エネルギーの一部は熱エネルギーなどに変換され、力学的エネルギーの総量は保存されない。また、位置エネルギーの基準点は任意に設定できるが、その値自体は基準点によって変化する。

共通テスト(2023年)類似

鉛直投げ上げと自由落下の運動

Q116 高さ 19.6 m の位置から小球Aを自由落下させると同時に、床から小球Bを初速度V0で鉛直上向きに投げ上げました。小球Aが床に到達するのと同時に、小球Bが最高点に達して再び床に戻ってきたとき、小球Bの初速度V0の大きさとして最も適切な値を選択肢から選んでください。ただし、重力加速度の大きさを 9.8 m/s^2 とし、空気抵抗は無視できるものとします。

★★★★ 難問具体例正答率 —

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✅ 正解

9.8 m/s

自由落下する小球Aが高さ 19.6 m から床に到達する時間tは、19.6 = 1/2 * 9.8 * t^2 より、t = 2.0 s となります。小球Bが投げ上げられてから再び床に戻るまでの時間も 2.0 s であるため、最高点に達するまでの時間はその半分の 1.0 s となります。最高点では速度が 0 m/s になるため、0 = V0 – 9.8 * 1.0 より、初速度V0は 9.8 m/s と求められます。

共通テスト(2026年)類似

等間隔に設置された磁石による磁場の強さの記録

Q117 水平面上を一定の速さで進む台車に磁気センサーを取り付け、進行方向に沿って等間隔に配置された5個の磁石の真上を通過させた。このとき、センサーが記録する磁場の強さと時刻の関係を示すグラフとして最も適切なものはどれか。

★★ 基本基礎正答率 —

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✅ 正解

磁場の強さが一定の周期で増減し、5つのピークが等間隔に並ぶグラフ

台車が等速直線運動を行っている場合、等間隔に配置された磁石の真上を通過する時間は一定である。センサーは磁石の直上で磁場の強さを最大として検知するため、磁石の数に対応した5つのピークが時間軸上で等間隔に現れる。速度が一定であれば、各ピーク間の時間間隔も一定となるため、このグラフが物理法則に基づいた正しい記録となる。

共通テスト(2025年)類似

グラフの比例関係

Q118 静止していた物体が一定の加速度で移動している。移動距離が2倍になったとき、その時点での速さは元の何倍になるか。

★★★ 標準具体例正答率 —

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✅ 正解

ルート2倍

等加速度直線運動の公式 v^2 = 2ax より、速さの2乗は移動距離に比例する。移動距離が2倍になると、速さの2乗も2倍になる。したがって、速さvは元の値のルート2倍となる。この関係は、加速度が一定である限り、物体の質量や具体的な加速度の値によらず常に成立する。

センター試験(2016年)類似

鉛直投げ上げ

Q119 初速度 19.6 m/s で小球を鉛直上向きに投げ上げた。重力加速度の大きさを 9.8 m/s^2 とするとき、小球が最高点に達するまでの時間は何秒か。

★★ 基本具体例正答率 —

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✅ 正解

2.0秒

鉛直投げ上げ運動において、最高点では速度が 0 m/s になる。速度 v は初速度 v0、重力加速度 g、時間 t を用いて v = v0 – gt と表される。最高点では v = 0 となるため、0 = 19.6 – 9.8 × t という式が成り立つ。これを解くと t = 19.6 / 9.8 = 2.0 となり、2.0秒後に最高点に達することがわかる。

センター試験(2015年)類似

等加速度直線運動

Q120 初速度がゼロの物体が、一定の加速度 a で等加速度直線運動をしている。この物体が時間 t だけ経過したときの移動距離を表す式として正しいものはどれか。

★★ 基本基礎正答率 —

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✅ 正解

0.5at^2

等加速度直線運動において、初速度がゼロの場合、速度 v は v = at と表されます。移動距離 x は速度と時間の関係を積分することで求められ、x = 0.5at^2 となります。これは速度と時間のグラフにおいて、三角形の面積が移動距離に対応することからも導かれます。

共通テスト(2023年)類似

自由落下運動における速度と時間の関係

Q121 重力加速度の大きさを9.8 m/s^2とし、小球を静かに落下させたとき、落下を開始してから2.5秒後の小球の速度は何m/sになるか。

★★★ 標準具体例正答率 —

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✅ 正解

24.5 m/s

自由落下運動における速度vは、重力加速度gと経過時間tの積で求められる。与えられた条件より、g = 9.8 m/s^2、t = 2.5 sであるから、v = 9.8 × 2.5 を計算する。この積を求めると24.5となり、単位は速度の単位であるm/sとなる。したがって、2.5秒後の速度は24.5 m/sである。

センター試験(2019年)類似

フックの法則

Q122 ばねの自然の長さからの伸びxとばね定数k、物体にはたらく重力mgの関係について、物体が床から離れる瞬間の物理的な意味として最も適切なものはどれか。

★★★ 標準背景正答率 —

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✅ 正解

弾性力が重力とつり合い、物体にはたらく合力がゼロになる。

物体が床から離れる瞬間とは、床からの垂直抗力がゼロになる境界の状態を指す。このとき、物体にはたらく力は鉛直下向きの重力と鉛直上向きの弾性力のみであり、これらがつり合うことで合力がゼロとなり、物体は静止または等速運動の状態を維持する。このつり合い条件がフックの法則における伸びを決定する物理的根拠である。

センター試験(2020年)類似

運動エネルギー

Q123 質量mの小物体を、同じ大きさの一定の力F（F > mg）で引く3つの状況を考える。状況Aでは鉛直上向きに、状況Bではなめらかな傾き45度の斜面に沿って上向きに、状況Cではなめらかな水平面上で水平方向に、それぞれ静止した状態から力Fの方向に同じ距離dだけ移動させた。移動後のそれぞれの運動エネルギーをKA、KB、KCとするとき、これらの大小関係を表す式として正しいものを、次のうちから一つ選べ。ただし、重力加速度の大きさをgとする。

★★★ 標準具体例正答率 —

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✅ 正解

KC > KB > KA

仕事とエネルギーの関係より、移動後の運動エネルギーは合力がした仕事に等しい。移動距離dが共通であるため、合力が大きいほど運動エネルギーは大きくなる。各状況における運動方向の合力の大きさは、Aが F – mg、Bが F – mg sin45度、Cが F となる。F > mg より合力の大きさは C、B、Aの順に大きいため、運動エネルギーの大小関係は KC > KB > KA となる。

センター試験(2015年)類似

等加速度直線運動

Q124 静止していた自転車が一定の加速度で加速し、3秒後に速度が毎秒6メートルに達した。このとき、自転車が3秒間で進んだ移動距離は何メートルか。

★★★ 標準具体例正答率 —

💡 答えを確認

✅ 正解

9メートル

まず加速度を求めます。速度の変化量（毎秒6メートル）を時間（3秒）で割ると、加速度は毎秒毎秒2メートルとなります。移動距離は、加速度の半分（1）に時間の二乗（3の二乗＝9）を掛けることで算出されます。したがって、1かける9で移動距離は9メートルとなります。

共通テスト(2021年)類似

力学的エネルギーの保存と変化

Q125 質量 m のおもりが、鉛直方向に張られたひもに吊るされ、一定の速さでゆっくりと下方に降ろされている。このとき、おもりの位置エネルギー、運動エネルギー、および力学的エネルギーの変化として最も適切なものはどれか。

★★★ 標準具体例正答率 —

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✅ 正解

位置エネルギーは減少し、運動エネルギーは一定で、力学的エネルギーは減少する

おもりが下降するため、高さに比例する位置エネルギーは減少する。一定の速さで移動しているため、速度に依存する運動エネルギーは変化しない。この過程では、ひもの張力が運動方向と逆向きに仕事をしており、非保存力である張力が負の仕事をするため、力学的エネルギー（位置エネルギーと運動エネルギーの和）は減少する。重力のみが仕事をする場合とは異なり、外部からの仕事がエネルギーを散逸させている。

センター試験(2016年)類似

水圧と大気圧

Q126 密度がローの液体中に、底面積Sの円筒形の容器を鉛直に沈めたとき、容器外の液面と容器内の液面の高さの差がhであった。このとき、容器内部の空気の圧力を表す式として正しいものはどれか。ただし、大気圧をP0、重力加速度をgとする。

★★ 基本具体例正答率 —

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✅ 正解

P0 + ローgh

液体中のある深さにおける圧力は、大気圧に液体の密度、重力加速度、深さの積を加えた値となります。容器内部の空気の圧力は、外部の大気圧P0に、液面差hによって生じる水圧（ローgh）が加わったものと等しくなります。なお、容器の底面積Sは圧力の計算には直接影響しません。

共通テスト(2021年)類似

速度と加速度の関係

Q127 等加速度直線運動において、速度と加速度および時間の関係を説明したものとして最も適切なものはどれか。

★ やさしい基礎正答率 —

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✅ 正解

初速度が0の場合、速度は加速度と時間の積に比例して増加する。

等加速度直線運動の定義により、速度vはv = v0 + atと表される。初速度v0が0であれば、v = atとなり、速度は加速度aと時間tの積に等しくなる。加速度が一定であるとき、速度は時間に対して線形に増加するため、時間の二乗に比例するわけではない。また、加速度は速度の変化率であるため、速度と時間の積で定義されるものではない。

センター試験(2017年)類似

運動方程式

Q128 運動方程式 F = ma に関する記述として最も適切なものはどれか。

★ やさしい基礎正答率 —

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✅ 正解

物体に働く合力は、物体の質量と加速度の積に等しい。

ニュートンの運動の第2法則である運動方程式 F = ma は、物体に働く合力Fが、その物体の質量mと加速度aの積に等しいことを示している。この法則は、物体が受ける力と運動状態の変化の関係を記述する物理学の根幹をなすものである。

センター試験(2020年)類似

自由落下

Q129 自由落下運動に関する記述として、物理学的な原理に基づいた説明として最も適切なものはどれか。

★★ 基本背景正答率 —

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✅ 正解

物体が落下する距離は、経過時間の2乗に比例する。

自由落下は初速度ゼロの等加速度直線運動であり、変位yはy=1/2gt^2で表される。この式から、変位yは時間の2乗t^2に比例し、重力加速度gにも比例することがわかる。質量mは運動方程式ma=mgより加速度に影響しないため、落下時間には無関係である。

共通テスト(2025年)類似

Q174 物体が流体中で容器の底に接して静止しているとき、重力、浮力、垂直抗力の関係について最も適切な記述はどれか。

Q61 比熱の定義として最も適切なものはどれか。

Q104 波の性質を表す物理量である波長、周期、振動数、速さの関係に関する記述として最も適当なものはどれか。

Q33 電源電圧が12Vで、抵抗値がそれぞれ4Ωと8Ωの抵抗器が直列に接続されている。このとき、抵抗値4Ωの抵抗器にかかる電圧は何Vか。

★★ 基本具体例正答率 —

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✅ 正解

直列回路において電圧は抵抗値の比に比例して分配される。全体の抵抗値は4Ω + 8Ω = 12Ωである。抵抗値4Ωの抵抗器にかかる電圧は、全体の電圧12Vに、全体の抵抗に対する自身の抵抗の比である4/12を乗じることで求められる。したがって、12V * (4 / 12) = 4Vとなる。

共通テスト(2022年)類似

電力の総和

Q34 ドライヤーの回路において、電熱線とモーターを並列に接続する理由として、エネルギー保存の観点から最も適切な説明はどれか。

★★★ 標準背景正答率 —

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✅ 正解

各素子に同じ電圧を印加し、それぞれの消費電力の和が全体の電力となるようにするため。

並列接続では各素子に電源電圧がそのまま印加されるため、各素子は独立して動作できる。このとき、回路全体で消費される電力は各素子の消費電力の和となる。エネルギー保存の法則に基づけば、電源が供給する電力は回路内で消費される電力の総和と等しくなる必要があり、並列接続はこの条件を各素子に対して独立に満たすための合理的な構成である。

共通テスト(2021年)類似

電磁波の分類と利用

Q35 電磁波の性質と利用に関する記述として、最も適当なものはどれか。

★★ 基本基礎正答率 —

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✅ 正解

電波は周波数が低く、携帯電話やラジオなどの通信に利用される。

電磁波は周波数や波長によって分類され、それぞれ異なる性質を持つ。電波は周波数が低く、長距離の通信に適している。赤外線は熱作用が強く、日焼けの主な原因は紫外線である。ガンマ線は非常に高いエネルギーを持ち、放射線治療に用いられる。紫外線は可視光線より周波数が高く、殺菌作用を持つが、通信には適さない。

センター試験(2018年)類似

抵抗率

Q36 金属線の抵抗値Rを決定する要因に関する記述として、最も適切なものはどれか。

★ やさしい基礎正答率 —

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✅ 正解

抵抗値は抵抗率に比例し、長さに比例し、断面積に反比例する。

金属線の抵抗値Rは、抵抗率をρ、長さをl、断面積をSとすると、R = ρ × (l / S) の式で表される。この式から、抵抗値は材料固有の性質である抵抗率および導線の長さに比例し、導線の太さを示す断面積には反比例することがわかる。電気回路における導線の抵抗を考える際の基本原理である。

共通テスト(2021年)類似

変圧器の電圧と巻き数

Q37 変圧器の原理に関する記述として最も適切なものはどれか。

★★★ 標準背景正答率 —

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✅ 正解

変圧器は電磁誘導を利用して電圧を変換する装置である。

変圧器は、一次コイルに流れる交流電流によって生じる磁束の変化が、二次コイルに誘導起電力を生じさせる電磁誘導の原理を利用している。直流では磁束が変化しないため変圧できない。また、現実には銅損や鉄損などの電力損失が必ず発生する。

センター試験(2020年)類似

消費電力

Q38 一定の電圧を印加した回路において、合成抵抗の値を大きくしたとき、回路全体で消費される電力はどのように変化するか。

★★ 基本背景正答率 —

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✅ 正解

消費電力は小さくなる

回路の消費電力は、電圧の二乗に比例し、合成抵抗に反比例する。電圧が一定であるという条件下では、合成抵抗の値が大きくなると、その逆数である消費電力の値は小さくなる。これは、抵抗値が増加することで回路を流れる電流が減少し、単位時間あたりに熱として放出されるエネルギーが減少するためである。

共通テスト(2024年)類似

電球の効率

Q39 消費電力60Wで効率10%の白熱電球を1時間点灯させたときに放出される光エネルギーの量と、消費電力15WのLED電球が同じ量の光エネルギーを1時間で放出する場合の効率の組み合わせとして最も適当なものを、次のうちから一つ選べ。

★★★ 標準具体例正答率 —

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✅ 正解

光エネルギー量 6.0Wh、効率 40%

電球の効率は、消費電力に対する光エネルギーの割合で定義される。消費電力60Wの白熱電球で効率10%の場合、1時間あたりの光エネルギーは60W×1時間×0.1＝6.0Whとなる。次に、消費電力15WのLED電球が同じ6.0Whの光エネルギーを1時間で放出する場合、その効率は6.0Wh÷(15W×1時間)＝0.4となり、パーセント表記で40%と求められる。

センター試験(2019年)類似

抵抗の形状と消費電力

Q40 抵抗Cと抵抗Dを直列に接続し、一定の電圧を加えた回路において、抵抗Dの消費電力が抵抗Cの消費電力の0.5倍であるとき、この回路を流れる電流と消費電力の関係について最も適切な説明はどれか。

★★★ 標準背景正答率 —

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✅ 正解

直列回路では電流が等しいため、消費電力は抵抗値に比例する。

直列回路では、回路全体を流れる電流Iは各抵抗で共通である。消費電力PはP = I^2 * Rという式で表されるため、電流Iが一定であれば、消費電力Pは抵抗値Rに比例する。したがって、抵抗値が0.5倍である抵抗Dの消費電力は、抵抗Cの0.5倍となる。

共通テスト(2023年)類似

変圧器の原理

Q41 ある変圧器において、一次コイルの巻き数が100回、二次コイルの巻き数が2000回であるとき、一次コイルに100 Vの交流電圧を加えた場合に得られる二次コイルの電圧は何Vか。

★★★ 標準具体例正答率 —

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✅ 正解

2000 V

変圧器の電圧比は巻き数比に比例する。一次コイルの巻き数N1=100、二次コイルの巻き数N2=2000、一次電圧V1=100 Vとすると、二次電圧V2はV2 = V1 × (N2 / N1) の式で求められる。したがって、V2 = 100 × (2000 / 100) = 100 × 20 = 2000 Vとなる。この関係は電磁誘導の法則から導かれる。

共通テスト(2026年)類似

磁場の強さのグラフ

Q42 横軸を時刻、縦軸を磁場の強さとしたグラフにおいて、ピークが時刻2.68秒付近にあるグラフ(a)と、ピークが時刻1.4秒付近にあるグラフ(b)を比較したとき、台車の運動に関する記述として正しいものはどれか。

★★★ 標準具体例正答率 —

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✅ 正解

グラフ(b)のピークの幅がグラフ(a)より狭い場合、台車の速さはグラフ(b)の方が大きい

台車が磁石を載せてセンサー上を通過する際、台車の速さが大きいほど、磁石がセンサーの検知範囲を通過する時間が短くなる。その結果、磁場の強さを示すグラフのピークの幅は狭くなる。したがって、ピークの幅が狭いグラフ(b)の方が、グラフ(a)よりも台車の速さが大きいと判断できる。

センター試験(2016年)類似

誘導電流の発生条件

Q43 電磁誘導によって導体内部に誘導電流が発生するための条件として、最も適切なものはどれか。

★★ 基本基礎正答率 —

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✅ 正解

導体内部を貫く磁束が時間的に変化すること

ファラデーの電磁誘導の法則によれば、回路を貫く磁束が変化するとき、その変化を妨げる向きに誘導起電力が発生し、導体であれば誘導電流が流れる。磁束が一定であったり、導体が絶縁体であったりする場合には、誘導電流は発生しない。磁束の変化こそが電磁誘導の根本的な発生条件である。

センター試験(2015年)類似

並列回路の電流

Q44 電源電圧が12 Vで、抵抗値がそれぞれ 4.0 Ω、6.0 Ω、12 Ω の3つの抵抗が並列に接続されている回路がある。このとき、4.0 Ω の抵抗を流れる電流の大きさとして最も適当なものはどれか。

★★ 基本具体例正答率 —

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✅ 正解

3.0 A

並列回路においては、各抵抗の両端にかかる電圧は電源電圧と等しくなる。オームの法則（V = RI）より、電流 I は電圧 V を抵抗 R で割ることで求められる。本問では 12 V を 4.0 Ω で割ることで、12 / 4.0 = 3.0 A となる。他の抵抗の接続状態は、個々の抵抗を流れる電流に影響を与えない。

センター試験(2019年)類似

抵抗の形状と消費電力

Q45 材質が同じ円柱状の抵抗について、長さがL、断面積がSである抵抗Cの電気抵抗値をRとする。このとき、長さが2L、直径が2倍である抵抗Dの電気抵抗値として正しいものはどれか。

★★★ 標準具体例正答率 —

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✅ 正解

0.5R

電気抵抗は長さに比例し、断面積に反比例する。抵抗Dの直径は2倍であるため、断面積は半径の二乗に比例し4倍となる。したがって、抵抗Dの抵抗値は、元の抵抗値Rに対して長さの倍率（2倍）を掛け、断面積の倍率（4倍）で割ることで、2/4倍すなわち0.5Rと求められる。

共通テスト(2021年)類似

電気量と静電気力

Q46 中心を固定した長さLの絶縁体の棒の両端に、電気量+qおよび-qが配置されている。棒の回転軸から距離dのy軸上に正の電荷Qを置いたとき、棒の両端にはたらく静電気力の合力の向きと回転について、物理的に正しい説明はどれか。

★★★ 標準具体例正答率 —

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✅ 正解

小球の電荷Qが大きくなると、棒にはたらく静電気力の合力は大きくなり、回転の角加速度が増大する。

静電気力FはF=kQq/r^2で表され、小球の電荷Qに比例する。Qが大きくなれば棒の両端にはたらく力も増大し、回転軸周りの力のモーメントも大きくなるため、回転の角加速度が増大する。他の選択肢については、電荷の符号変化は力の向きを反転させ、静電気力は距離の2乗に反比例して減少するため、誤りである。

共通テスト(2024年)類似

電球のエネルギー効率

Q47 電球のエネルギー効率に関する記述として、最も適切なものはどれか。

★ やさしい基礎正答率 —

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✅ 正解

全消費電力量のうち、光エネルギーとして放出される割合を効率と定義する。

エネルギー効率とは、ある機器が消費した全エネルギーのうち、目的とするエネルギー（この場合は光エネルギー）に変換された割合を指す。消費電力の大小や点灯時間の長さは、効率そのものの定義とは直接的な相関関係にはない。電球の場合、消費電力の多くは熱エネルギーとして放出されるため、光エネルギーへの変換効率を向上させることが省エネルギーの観点から重要となる。

センター試験(2017年)類似

右ねじの法則

Q48 直線電流が作る磁場について、右ねじの法則を適用した際の現象として正しい説明はどれか。

★★ 基本背景正答率 —

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✅ 正解

電流の向きを右ねじの進む向きに合わせたとき、磁力線はねじを回す向きに形成される。

右ねじの法則は、直線電流が作る磁場の向きを決定する基本的な法則である。電流の向きを右ねじの進む向き（進行方向）と定義し、その際にねじを回す回転方向が磁場の向きとなる。この磁場は電流を中心とする同心円状に形成されるため、電流に対して平行な直線状にはならない。また、電流の強さを変えても磁場の向きは変わらず、磁場の強さが変化する。

共通テスト(2021年)類似

消費電力

Q49 同じ材質でできた、長さが等しく断面積の異なる2本のニクロム線A、Bがある。Aの断面積はBの2倍である。これら2本のニクロム線を並列につなぎ、一定の電圧を加えた。このとき、ニクロム線Aで消費される消費電力は、ニクロム線Bで消費される消費電力の何倍になるか。

★★★ 標準背景正答率 —

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✅ 正解

2倍

ニクロム線の抵抗値は断面積に反比例するため、断面積が2倍のAの抵抗値はBの0.5倍となる。並列接続では両者に加わる電圧が等しい。消費電力は電圧の二乗を抵抗値で割ることで求められるため、電圧が等しいとき消費電力は抵抗値に反比例する。したがって、抵抗値が0.5倍のAの消費電力は、Bの2倍となる。

共通テスト(2021年)類似

変圧器の電力保存

Q50 変圧器を用いて電圧を変化させる際、電圧と電流の関係について述べた文として最も適切なものはどれか。

★★★ 標準背景正答率 —

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✅ 正解

電圧を高くすると、電力保存のために電流は小さくなる。

理想的な変圧器では電力（電圧×電流）が一定に保たれるため、電圧を昇圧させると、それに応じて電流は反比例して小さくなります。これはエネルギー保存の法則に基づく物理的な帰結であり、電圧比と電流比は互いに逆数の関係になります。

センター試験(2020年)類似

Q82 長さ1.0メートルあたりの抵抗値が8.0オームである一様なニクロム線がある。このニクロム線を16センチメートルの長さに切り取り、両端に8.0ボルトの一定の電圧を加えた。このとき、ニクロム線で消費される消費電力は何ワットか。

★★★ 標準具体例正答率 —

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✅ 正解

1.0メートルあたりの抵抗値が8.0オームなので、16センチメートル（0.16メートル）のニクロム線の抵抗値は 8.0 * 0.16 = 1.28オームとなる。消費電力は電圧の二乗を抵抗値で割ることで求められるため、8.0^2 / 1.28 = 64 / 1.28 = 50ワットとなる。

共通テスト(2022年)類似

電気抵抗

Q83 電圧と電流の関係を示すグラフにおいて、電圧1.0 Vのときに電流が0.25 A流れる導体がある。この導体の電気抵抗は何オームか。

★ やさしい具体例正答率 —

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✅ 正解

4.0 オーム

オームの法則 R = V / I を用いて計算する。与えられた値は電圧 V = 1.0 V、電流 I = 0.25 Aである。これらを式に代入すると、R = 1.0 / 0.25 = 4.0 となる。したがって、この導体の電気抵抗は4.0オームである。

共通テスト(2026年)類似

ジュール熱の式

Q84 電熱線において発生するジュール熱の性質に関する記述として、最も適切なものはどれか。

★★★ 標準背景正答率 —

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✅ 正解

電圧を2倍にすると、単位時間あたりの発熱量は4倍になる。

単位時間あたりの発熱量（電力）は P = V^2 / R で表される。電圧 V が2倍になると、V^2 は4倍になるため、電力も4倍となる。一方、抵抗 R が大きくなると、電圧一定の条件下では分母が大きくなるため電力は小さくなる。したがって、抵抗値と発熱量は反比例の関係にある。

センター試験(2019年)類似

並列回路の電流

Q85 6.0Vの直流電源に対し、20オームの抵抗Aと30オームの抵抗Bが並列に接続されている。この回路において、抵抗Aを流れる電流の値として最も適当なものはどれか。

★★ 基本具体例正答率 —

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✅ 正解

0.30A

並列回路では、各抵抗の両端にかかる電圧は電源電圧と等しくなります。したがって、抵抗Aには6.0Vの電圧がそのままかかります。オームの法則（I=V/R）を用いると、抵抗Aを流れる電流は6.0Vを20オームで割ることで求められ、0.30Aとなります。

共通テスト(2021年)類似

電磁波の分類と利用

Q86 電磁波の分類と利用に関する説明として、物理学的な観点から正しいものはどれか。

★★★ 標準背景正答率 —

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✅ 正解

電磁波のエネルギーは周波数に比例するため、周波数が高いほど物質に対する透過力や破壊力が大きくなる傾向がある。

電磁波のエネルギーEは、プランク定数をh、周波数をfとするとE=hfで表される。したがって、周波数が高いほどエネルギーは大きくなる。このため、ガンマ線のような高周波の電磁波は高い透過力や破壊力を持ち、医療治療に利用される。一方、電波は周波数が低くエネルギーが小さいため、通信に適している。

共通テスト(2023年)類似

変圧器の原理

Q87 変圧器の原理に関する記述として最も適当なものはどれか。

★★ 基本基礎正答率 —

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✅ 正解

一次コイルと二次コイルの電圧の比は、巻き数の比に等しい。

変圧器は電磁誘導の原理に基づき、一次コイルに流れる交流電流によって鉄心内に生じる変動磁場が二次コイルを貫くことで、二次コイルに誘導起電力を生じさせる装置である。理想的な変圧器において、電圧V1とV2、巻き数N1とN2の関係はV1/V2 = N1/N2で表され、電圧の比は巻き数の比に等しくなる。直流電流では磁場が変動しないため、電磁誘導は生じない。

共通テスト(2022年)類似

電気抵抗

Q88 オームの法則に従う導体において、横軸に電圧、縦軸に電流をとったグラフを描いたとき、そのグラフの傾きが意味する物理量として最も適切なものはどれか。

★★ 基本基礎正答率 —

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✅ 正解

電気抵抗の逆数

オームの法則は V = RI と表され、これを電流 I について解くと I = (1/R)V となる。この式を電圧 V を横軸、電流 I を縦軸とするグラフに当てはめると、傾きは 1/R となる。したがって、グラフの傾きは電気抵抗 R の逆数であるコンダクタンスを表すことになる。

共通テスト(2024年)類似

電気量と電子の数

Q89 回路を流れる電気量と電子の数に関する記述として最も適切なものはどれか。

★★ 基本基礎正答率 —

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✅ 正解

電気量は電流と時間の積で求められ、その値は電子の個数に素電荷を乗じたものと等しい。

電気量Qは電流Iと時間tの積（Q = It）で定義されます。また、電荷の最小単位である素電荷eを持つ電子がn個移動したときの総電気量はQ = neと表されます。したがって、電流によって運ばれる電気量は、通過した電子の総数と素電荷の積として解釈することができます。

センター試験(2016年)類似

磁石の落下時間

Q90 鉛直に立てた長い銅パイプと、同じ長さ・内径を持つガラスパイプを用意し、それぞれのパイプの上端から同じ磁石を同時に落下させた。このとき、磁石の落下時間について述べたものとして最も適当なものはどれか。

★★ 基本基礎正答率 —

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✅ 正解

銅パイプ内の方が、ガラスパイプ内よりも落下時間が長くなる

銅パイプ内を磁石が落下する際、磁束の変化によってパイプ内に渦電流が生じる。この渦電流が作る磁場は、レンツの法則により磁石の運動を妨げる向きに働くため、電磁誘導による抵抗力が生じる。この抵抗力によって磁石の落下速度が抑制されるため、絶縁体であるガラスパイプ内を落下する場合と比較して、銅パイプ内での落下時間は長くなる。

共通テスト(2026年)類似

磁場の強さのグラフ

Q91 台車に固定された磁石がセンサーの真上を通過する際、センサーが計測する磁場の強さの変化について最も適切な説明はどれか。

★★ 基本基礎正答率 —

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✅ 正解

センサーとの距離が最小となる瞬間に磁場の強さは最大値をとる

磁石から発生する磁場の強さは、磁石とセンサーの距離に依存する。台車がセンサーの真上を通過する際、磁石とセンサーの距離が最も近くなるため、磁場の強さは急激に上昇してピークに達する。この現象は磁石の運動に伴う磁束密度の変化として捉えられ、距離が最小となる瞬間に磁場の強さが最大値を示す。

共通テスト(2021年)類似

変圧器の電圧と巻き数

Q92 変圧器において、一次コイルの巻き数をN1、二次コイルの巻き数をN2とし、それぞれの電圧をV1、V2とする。このとき、電圧の比V1/V2と巻き数の比N1/N2の関係として正しいものはどれか。

★★ 基本基礎正答率 —

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✅ 正解

V1/V2 = N1/N2

理想的な変圧器では、電磁誘導の法則により、コイルの巻き数と誘導起電力（電圧）は比例関係にある。一次コイルと二次コイルを貫く磁束の変化率が共通であるため、電圧の比は巻き数の比と等しくなる。この関係は電力の損失がない理想的な条件下で成立する。

センター試験(2019年)類似

電磁波の分類

Q93 電磁波の性質に関する記述として、最も適切なものはどれか。

★★★ 標準背景正答率 —

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✅ 正解

電磁波の周波数が高くなるほど、その波長は短くなり、エネルギーは大きくなる。

電磁波の伝搬速度をc、周波数をf、波長をλとすると、c = fλ の関係が成り立つ。真空中の光速cは一定であるため、周波数fと波長λは反比例する。また、光子のエネルギーEはプランク定数をhとして E = hf で表されるため、周波数が高いほどエネルギーは大きくなる。X線やガンマ線は高い周波数と短い波長を持ち、高いエネルギーによって物質を透過する性質がある。

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